學習聲學常識 (四)

噪音的傳播特性

噪音的來源總是與特定的空間息息相關，因此我們需要深入探討聲音在空間中傳播的特性，這包括聲波在傳播過程中所經歷的衰減、反射、折射、繞射和干涉等現象。聲波傳播的空間被稱為聲場，聲場可分為自由聲場、擴散聲場和半自由聲場。自由聲場是一種理想化的概念，實際上在自然界中並不存在這種聲場，但我們可以將開闊的野外視為接近自由聲場的環境。在聲學研究中，為了克服反射聲的影響並防止外界噪音的干擾，專門創造出自由聲場的環境，這樣的環境可用於聽力實驗、檢測各種機械產品的噪音、測量聲源的聲功率以及校準一些電聲設備等。

與自由聲場截然相反的是擴散聲場。在擴散聲場中，聲波幾乎達到全反射的狀態。例如，在室內環境中，聽到的聲音不僅來自聲源的直達聲，還包括來自室內各個表面的反射聲。如果室內的表面非常光滑，聲波撞擊牆面後會完全反射回來。而當室內各處的聲壓幾乎相等，聲能密度也均勻分布時，這樣的聲場就被稱為擴散聲場（或混響聲場）。在聲學研究中，可以專門設計具有擴散聲場特性的房間，即混響室，這樣的房間可用於測試聲源的聲功率以及在不同混響時間下進行語言清晰度的實驗等。

在我們的日常生活中，最常遇到的情況並不是完全的自由聲場，也不是完全的混響聲場，而是介於兩者之間的半自由聲場。根據環境的吸聲能力不同，有些半自由聲場更接近自由聲場，而有些則更接近擴散聲場。

當聲源發出噪音，這些聲波在媒介中傳播時，隨著距離的增加，聲壓或聲強會逐漸減弱。高頻聲波的衰減速度比低頻聲波快得多，因此在長距離傳播時，高頻聲波的能量損失相當顯著，這也是為什麼從遠處傳來的噪音，如飛機的轟鳴或炮聲，通常是低沉的原因。除了空氣會吸收聲波外，像玻璃、毛毯和泡沫塑料等材料也能吸音，這些被稱為吸聲材料。當聲波穿過這些多孔的吸聲材料時，因為材料內部的摩擦以及空氣與孔壁之間的摩擦，聲波的能量會被大量吸收並衰減，這使得這些材料能有效地吸收落在其上的聲能。

在噪音聲波的傳播過程中，經常會遇到障礙物，這時聲波會從一種媒介（空氣）進入另一種媒介。由於這兩種媒介的聲學特性不同，部分聲波會在障礙物的表面反射回去，而另一部分則會穿透進入障礙物內部。利用不同介質的特性阻抗，我們可以達到減少噪音的效果。

在戶外測量噪音時，堅硬的地面、公路和建築物的表面就像是反射聲音的鏡子。如果在這些反射面上鋪設吸音材料，聲音的反射能量就會大幅減少。由於聲波的反射特性，室內產生的噪音會在牆壁、地板、天花板及各種物體上反射多次，這種反射聲的存在使得室內的聲壓級比戶外同樣距離的聲壓級高出10到15分貝。為了減少室內反射聲的影響，可以在房間的內部表面覆蓋一層優質的吸音材料，這樣就能顯著降低反射聲，從而減少整體噪音。類似的情況也發生在車輛上，駕駛室就像是一個縮小的房間，車輛內部的複雜噪音在駕駛室中形成了一個噪音源。在安裝隔音吸音棉時，總是將帶有特殊吸音槽的一面朝向車內，這樣可以最大限度地減少車身雙層隔板之間以及駕駛室內部的噪音反射，同時有效地過濾和吸收噪音。

當聲波在傳播過程中遇到不同的介質邊界時，除了會反射之外，還會發生折射，這使得聲波的傳播方向發生變化。此外，聲波還會出現繞射現象。繞射的程度與聲波的頻率、波長以及障礙物的大小息息相關。若聲波的頻率較低、波長較長，而障礙物的尺寸又遠小於波長，聲波便能輕鬆繞過障礙物，並在其後繼續傳播；反之，若聲波的頻率較高、波長較短，而障礙物的大小又遠大於波長，則繞射現象就不明顯，障礙物後方的聲波到達量會大幅減少，形成一個明顯的陰影區域。

繞射現象在噪音控制中得到了廣泛應用。隔音屏障常被用來減少高頻噪音的影響，當在噪音源與工作人員之間設置一道聲屏障時，可以有效降低高頻噪音。屏障的高度和面積越大，降噪效果就越顯著；如果在屏障上再加上一層吸音材料，效果會更佳。平靜引擎蓋防護墊正是利用這一原理來達到降噪的目的。由於發動機位於引擎蓋下方，因此無需增加聲屏障的高度，只需在引擎蓋上粘貼平靜引擎蓋隔音隔熱棉，其吸音面積的兩倍將有效降低發動機向引擎蓋方向傳遞的噪音，讓站在引擎艙一側的人明顯感受到噪音的減少。